Żywią i zasilają w energię
Warto wiedzieć, że sporo roślin nie lubi silnej, bezpośredniej akcji słonecznej. Ustawione więc nad nimi panele nie przeszkadzałyby, lecz wręcz optymalizowały uprawy. Ogólnie instalacje fotowoltaiczne mogą być konfigurowane i zmieniać poziom dopływającego do wysiewów światła według niezwykle precyzyjnie zaprogramowanych wzorców. Można by też myśleć o tym jako supernowoczesnych szklarniach, w których zamiast zwykłych szklanych szyb stosowane są ogniwa solarne.
Rok temu w "Scientific Reports" opublikowano badania przeprowadzone na Uniwersytecie stanowym Oregonu, które wskazują, że pokrycie tego rodzaju instalacjami tylko jednego procenta pól uprawnych na naszej planecie powinno wystarczyć, by energią elektryczną zasilić całą ludzkość.
Zamiast rywalizacji o obszar - współdzielenie pola
W 1981 r. Adolf Goetzberger i Armin Zastrow jako pierwsi zaproponowali koncepcję podwójnego wykorzystania gruntów ornych do produkcji energii słonecznej i uprawy roślin w celu poprawy ogólnej wydajności produkcji rolnej. Był to ich wkład w trwającą wówczas dyskusję na temat konkurencji w zakresie wykorzystania gruntów ornych pomiędzy produkcją energii słonecznej a uprawą płodów rolnych.
Wychodząc od założenia, że istnieje coś takiego jak punkt nasycenia światłem a zwiększenie ilości fotonów nie poprawia wydajności fotosyntezy, japoński badacz Akira Nagashima zaproponował praktyczne połączenie systemów fotowoltaicznych i rolnictwa w celu wykorzystania nadmiaru światła. Pierwsze prototypy opracował w 2004 roku.
Do 2017 na japońskich polach uprawnych zainstalowano ponad tysiąc systemów fotowoltaicznych współistniejących z tradycyjnym rolnictwem. Aby uzyskali pozwolenie na eksploatację paneli słonecznych nad uprawami, rolnicy w Japonii muszą według tamtejszego prawa spełnić wymóg utrzymania co najmniej 80 proc. normalnej produkcji rolnej.
W 2017 r. uruchomiono w Japonii elektrownię o mocy 35 MW, zainstalowaną na 54 ha upraw. Stopień zacienienia tej elektrowni wynosi 50 proc., co jest wartością wyższą niż 30 proc. zacienienia zwykle stosowanego w japońskich elektrowniach agrowoltaicznych. Rolnicy uprawiają m.in. żeń-szeń, aszitabę i kolendrę. Wkrótce na wyspie Ukujima powinna powstać elektrownia słoneczna o mocy 480 MW, której częścią będą elektrownie agrowoltaiczne.
Termin "agrowoltaika" pojawił się w jednej z publikacji w 2011 roku. W Azji używa się też niekiedy terminu "solar sharing" (z ang. "dzielenie się słońcem"). Wzorem Japonii projekty tego rodzaju podjęło wiele krajów na tym kontynencie, w tym oczywiście Chiny i Indie. W tym ostatnim przypadku upatruje się w agrowoltaice wielkiej szansy na zwiększenie dochodów biednej ludności wiejskiej. W Malezji podjęto próby instalowania paneli fotowoltaicznych na plantacjach herbaty, zaś w Wietnamie - na farmach krewetek.
Koncepcja ta dotarła oczywiście także do Europy. Najwcześniej i w największym zakresie do Francji. Od początku lat dwutysięcznych budowane są tam szklarnie fotowoltaiczne. Przykładem francuskich technologii jest projekt Agrinergie rozwijany Akuo Energy od 2007 roku.
Od 2009 roku, francuskie firmy INRA, IRSTEA i Sun’R pracują nad programem przeznaczonym dla pół o nazwie Sun’Agri. Pierwszy prototyp zainstalowany został na terenie na powierzchni 0,1 ha w Montpellier. Kolejne prototypy instalacji z mobilnymi panelami jednoosiowymi zostały zbudowane w latach 2014 i 2017. Pierwsza instalacja agrowoltaiczna Sun’R na otwartym polu została zbudowana wiosną 2018 roku w Tresserre w Pyrénées-Orientales. Elektrownia ta ma moc 2,2 MW z paneli rozmieszczonych na 4,5 ha winnic (2). A nie są to jedyne francuskie projekty tego typu.
Nadwyżka światła z fotosyntezy
W Stanach Zjednoczonych projektami tego rodzaju zajmuje się firma SolAgra (3) we współpracy z Departamentem Agronomii Uniwersytetu Kalifornijskiego w Davis. W trakcie opracowywania jest pierwsza elektrownia na 0,4 ha. Powierzchnia 2,8 ha jest wykorzystywana jako obiekt kontrolny. Badanych jest kilka rodzajów upraw: lucerna, sorgo, sałata, szpinak, buraki, marchew, rzodkiew, ziemniaki, rukola, mięta, rzepa, jarmuż, pietruszka, kolendra, fasola, groch, szalotka, gorczyca. Eksperymenty agrowoltaiczne są przeprowadzane również na szeregu amerykańskich uczelni.
Według badań finansowanych przez National Science Foundation, prowadzonych przez inżynierów, badaczy biologii i fizyki roślin na Uniwersytecie Stanu Karolina Północna wiele szklarni może stać się neutralnych energetycznie dzięki wykorzystaniu przezroczystych paneli słonecznych do pozyskiwania energii (4). Przy czym chodzi o energetyczne wykorzystywanie długości fal światła, których rośliny nie używają do fotosyntezy. Wyniki badań zostały publikowane w lutym tego roku w czasopiśmie "Joule".
"Rośliny wykorzystują do fotosyntezy tylko niektóre długości fal światła. Chodzi o to, by stworzyć szklarnie, które wytwarzają energię z tego nie używanego światła, jednocześnie pozwalając na przejście przez większości pasma światła fotosyntetycznego," wyjaśnia w publikacji Brendan O’Connor, jeden z autorów badań. "Jesteśmy w stanie to osiągnąć przy użyciu organicznych ogniw słonecznych, ponieważ pozwalają nam one na dostrojenie widma światła pochłanianego przez ogniwo słoneczne. Jednak do tej pory nie było jasne, ile energii mogłaby przechwycić szklarnia, gdyby używała tych półprzezroczystych, selektywnych, organicznych ogniw słonecznych".
Aby odpowiedzieć na to pytanie, naukowcy użyli modelu obliczeniowego. "Duża część energii zużywanej w szklarniach wiąże się koniecznością ogrzewania i chłodzenia, dlatego nasz model skupił się na obliczeniu obciążenia energetycznego niezbędnego do utrzymania optymalnego zakresu temperatur dla uprawy pomidorów," mówi O’Connor. "Model obliczył również ilość energii, jaką szklarnia wyprodukowałaby, gdy ogniwa słoneczne zostałyby umieszczone na jej dachu."
Dla roślin, które lubią cień
Wyróżnić można trzy podstawowe rodzaje agrowoltaiki będące obecnie przedmiotem badań: panele słoneczne w przestrzeni pomiędzy uprawami, płaskie instalacje paneli słonecznych nad uprawami oraz szklarniowy system słoneczny. Głównym parametrem branym pod uwagę w przypadku systemów agrowoltaicznych jest kąt nachylenia paneli słonecznych. Innymi zmiennymi branymi pod uwagę przy konfiguracji systemu agrowoltaicznego są: rodzaj uprawy, wysokość paneli, napromieniowanie słoneczne na danym obszarze i klimat obszaru.
Wen Liu z Uniwersytetu Naukowo-Technicznego w Hefei w Chinach zaproponował w 2015 r. nowy pomysł na agrowoltaikę - stosowanie zakrzywionych paneli szklanych pokrytych folią polimerową przepuszczają selektywnie długości fal od światła słonecznego, które są niezbędne do fotosyntezy roślin (światło niebieskie i czerwone). Wszystkie inne długości fal są odbite i skoncentrowane na koncentracyjnych ogniwach słonecznych do wytwarzania energii.
Symulacje i badania nad agrowoltaiką wskazują, że produkcja energii elektrycznej przy uprawach nie zmniejsza wydajności rolnictwa. Oczywiście sprawdza się najlepiej w przypadku roślin odpornych na zacienienie lub wręcz preferujących mniejsze nasłonecznienie.
W niedawno przeprowadzonych w Arizonie badanich naukowcy porównali rośliny uprawiane pod panelami słonecznymi z tymi uprawianymi w bezpośrednim świetle słonecznym. Odnotowali m.in. że całkowita produkcja owoców papryki chiltepin była trzykrotnie wyższa na działkach pod panelami słonecznymi, a zbiory pomidorów koktajlowych podwoiły się pod panelami. Niektóre rośliny potrzebowały w systemach agrowoltaicznych znacznie mniej wody, częściowo dlatego, że gleba zacieniona zatrzymywała więcej wilgoci.
Podobnie obiecujące wyniki przyniósł projekt badawczy w południowym Deerfield w Massachusetts. Testy wykazały, że uprawy brokułów i podobnych warzyw dawały o 60 procent więcej masy roślinnej w porównaniu z roślinami na pełnym słońcu.
Może więc polem rozwoju wielkich farm słonecznych nie jest Sahara i inne pustynie, jak się często przewiduje, ale pola, do tej pory znane jedynie jako produkujące żywność?
Mirosław Usidus
